Группа американских энтузиастов сейчас пытается создать сверхэкономичный самолёт Synergy. Особенностью этого самолётика, уже испытанного в виде беспилотной модели в масштабе 1:4, является так называемое кольцевое крыло. Летательные аппараты такого вида ещё иногда называют колеоптерами или же кольцепланами, поскольку кольцевое крыло имеет перед обычным профилем несущих крыльев несколько неоспоримых преимуществ и особенностей, которые совершенно меняют привычную механику полёта, характерную для самолётов с обычным профилем крыла. Часть этих особенностей уже прекрасно видна специалистам на фото Synergy, я же просто разберу механику полёта кольцевого крыла так сказать «на пальцах», чтобы даже неподготовленным читателям были понятны его преимущества и недостатки. Во-первых, кольцевое крыло практически лишено эффекта образования концевого вихря, часто видимого на оконцовках обычных крыльев в виде так называемой спутной струи:
Спутные струи на концах крыльев истребителя-бомбардировщика F/A-18 «Хорнет»
Спутные струи и порождающие их концевые вихри на оконечностях крылье отнюдь не столь безобидны, как они кажутся на фотографии.
Подъёмная сила крыла (с точки зрения самого крыла, как мы помним) образуется из-за разности давлений под крылом и над крылом. Из-за разности давлений часть воздуха перетекает через край крыла из области высокого давления снизу в область пониженного давления сверху, образуя при этом концевой вихрь. В альтернативном объяснении, как вы помните, крыло отбрасывает вниз набегающий на него поток воздуха, что и создаёт подъёмную силу.
В случае же образования концевого вихря — разность давлений между верхей и нижней поверхностью крыла на его оконечности выравнивается, а часть воздуха, отброшенного крылом вниз, перетекает вверх, в пространство над крылом, что и уменьшает подъёмную силу всего крыла.
В итоге, на образование такого бесполезного вихря тратится энергия движения самолёта, что приводит к появлению дополнительной силы индуктивного сопротивления. Кроме того, концевой вихрь также приводит к перераспределению подъёмной силы по размаху крыла, уменьшая его эффективную площадь и удлинение и ухудшая аэродинамику самолёта.
Что интересно, решение проблемы концевого вихря для традиционного крыла в итоге было найдено как раз в виде приближения его профиля к профилю кольцевого крыла, конечно же, насколько это представлялось возможным. Называлось это решение законцовкой крыла или же калькой с английского её названия — винглет (winglet). Вы не раз видели законцовки крыльев на современных самолётах в полёте:
Интересно то, что несмотря на факт того, что первые законцовки крыльев испытывались на своих самолётах ещё братья Райт в 1905 году, массовое их применение на экспериментальных моделях самолётов началось только в 1960-х годах — долгое время шёл процесс поиска удачной формы винглета.
Ещё одним интересным фактом является то, что законцовки крыла практически современной формы были применены при проектировании воздушно-космического самолёта по программе «Спираль», аванпроект которого был испытан в аэродинамических трубах в 1966 году:
Но, как это часто бывало и с другими изобретениями — в итоге массовое коммерческое применение винглетов было реализовано не в СССР, а на Западе. В 1985 году законцовки крыла были применены на серийном «Боинге-747», а в 1991 году Луи Гратцер, главный специалист по аэродинамике компании Aviation Partners, придумал и запатентовал «blended winglet» — сопряжённую законцовку крыла, которая плавно загибается вверх по дуге большого радиуса и имеет большое относительное удлинение. Первое же применение винглетов в 1991 году на самолёте «Гольфстрим» позволило сократить расход топлива на 7 %. Столь масштабная экономия за счёт модернизации оказалась беспрецедентной в истории авиации — в результате чего законцовки крыла стали практически стандартом современного самолётостроения.
Принцип работы законцовки крыла в сравнении с крылом классической формы.
Сегодня эволюция, связанная с постепенным изменением формы оконечности крыла и постоянной борьбой с концевыми вихрями, продолжается каждый день. После успеха аэродинамического винглета Гратцера повсюду в мире испытываются самые необычные конструкции законцовок, некоторые из которых уже и в самом деле напоминают кольцевые крылья:
Самолёт «Фалкон» с винглетами Spiroid конструкции все той же Aviation Partners обещает 10% экономию топлива.
Вторым неоспоримым преимуществом кольцевого крыла перед крылом классической формы является его невероятный угол атаки, который может доходить до до 50°, в то время, как для крылье классического аэродинамического профиля критический угол атаки обычно составляет не более 20°, что часто является причиной потери управления самолётом и катастрофических последствий.
Типичная картинка поведения крыла в зависимости от угла атаки. На критическом угле у крыла резко растёт сопротивление потоку и падает подъёмная сила.
Такой большой критический угол атаки, как минимум вдвое превосходящий угол атаки обычного крыла, позволяет кольцевому крылу летать на малых скоростях, больших углах атаки и практически без механизации крыла — так, кольцевое крыло обеспечивает приемлемую управляемость в таких режимах даже без закрылков, необходимых для обычного крыла:
Закрылки крыла самолёта Ту-154 в открытом состоянии. Видна сложная механизация крыла, работающая на взлёте и посадке самолёта.
Ну и, наконец, третьим неоспоримым преимуществом кольцевого крыла является его общая конструктивная прочность — кольцевое крыло обладает им в силу геометрии своего устройства.
С другой стороны, кольцевое крыло не лишено и своих недостатков: на некоторых полётных режимах оно может выходить в автоколебательный резонанс (так называемый бафтинг), для больших самолётов такая форма крыла сложнее в обслуживании ну и, конечно же, кольцевое крыло пока что слишком непривычно для многих в авиационной отрасли.
Однако, идея кольцеплана-колеоптера понемногу пробивает себе дорогу в жизнь. При этом, строго говоря, упоминая «кольцевое крыло», не стоит зацикливаться исключительно на «овальном» или «круговом» крыле, как это происходило в прошлом.
Так, круглым крылом обладал кольцеплан SNECMA C.450 Coleopter, испытание которого проводились во Франции в конце 1950-х годов:
Интересно, что основной идеей SNECMA С.450 являлось последующее использование кольцевого крыла в роли воздухозаборника для прямоточных реактивных двигателей, которые предполагали использовать даже для сверхзвукового полёта. Кроме того, старт и посадка С.450 должна была осуществляться по популярной в конце 1950-х годов схеме вертикално-на-хвост (tail-sitter), которая превращала разработку SNECMA в полноценный СВВП. Однако, по факту программа испытаний C.450 Coleopter была свёрнута после первого же аварийного случая в мае 1958 года.
Таким же кольцевым круглым крылом и такой же схемой посадки и взлёта с хвоста должен был обладать и ещё один монстр, который принимал участие в конкурсе на перспективные армейские системы, проводившейся Пентагоном в середине 1960-х годов — Convair Модель 49:
По программе Модели 49 проводились лишь испытания натурных моделей, но задумка «Конвэйра» была просто-таки эпической: Модель 49 должна была нести целый арсенал на плоскостях своего кольцевого крыла, который бы включал в себя пулеметы, пушки и управляемые ракеты. Кроме того, «49-я» могла выдерживать прямые попадания из 12,7 мм крупнокалиберного пулемёта — жизненно важные отсеки (кабина пилотов и двигатель) ещё и бронировались.
Понятное дело, реальность и реализуемость на практике такой конструкции «летающего танка» так и осталась за пределами экспериментальной проверки — Модель 49 так и не была принята в разработку конкурса, который, тем не менее, дал нам такие прорывные модели винтокрылов, как Lokheed AH-56 «Шайенн».
Пытаются поднять в воздух сегодня овальное крыло и энтузиасты из Белоруссии. Группа белорусских конструкторов и инженеров создали буквально «на коленке» прототип самолёта с овальным крылом, который они назвали СОК:
К сожалению, сейчас прототип СОКа пылится на задворках авиаремонтного предприятия и больше не летает:
Как написал автор: «Законы Республики Беларусь не предусматривают создание на территории государства летательных аппаратов и выполнение ими испытательных полетов». Вот такая, понимаешь, загогулина с этим овальным крылом.
Но — мельницы инноваций мелют медленно, хотя и каждый день. Во многих местах мира идут проекты по созданию самолётов с замкнутыми крыльями, которые теперь больше приобретают «коробочную» форму, более выгодную с точки зрения аэродинамики:
Разные формы кольцевых крыльев.
И кто его знает — может быть самолёт будущего будет выглядеть именно так?
Ведь поход в будущее начинается обычно с первого, маленького шага…
Кольцепланы пока что выглядят, как смешные модельки — но они уже летают и показывают то, что рассчитали конструкторы и инженеры на земле.
Ложечки дегтя
Вышесказанное относится к эллиптическому крылу, при взгляде на него сверху, оно становится очевидно, что по сути это то же прямоугольное крыло, то есть предназначенное для относительно невысоких скоростей. Разогнаться до скорости даже близкой к сверхзвуковой самолету такой конструкции не даст уже лобовое сопротивление.
Кольцеплан. Самолет Нарушевича. Разрабатывался для замены Ан-2, ему большая скорость не нужна.
Выходит, что решив одну проблему, конструкторы увеличивают влияние другой. К тому же боковая часть эллипса вообще не создает подъемную силу, зато создает сопротивление и имеет «мертвую» массу. Вопрос с его прочностью при маневрах также не ясен.
Parsifal
В этом проекте кроме всех перечисленных преимуществ надеются получить еще одно — снижение шума. Такая компоновка крыла по задумке конструкторов должна создавать две ударные волны, которые за счет интерференции будут «гасить» друг-друга.
Также можно заметить сдвиг верхней и нижней частей относительно друг-друга, ведь Parsifal задумывается скоростным, — получается уже стреловидное крыло, причем верхняя его часть отрицательной стреловидности, а нижняя положительной.
Работает (или уже нет) на своей версией и крупнейший в мире производитель военной техники Lockheed Martin. Но к сожалению, никакой конкретной информации о проекте нет.
Кольцевое крыло от Lockheed Martin
Вполне вероятно, что такие кардинальные изменения конструкции столкнуться с непреодолимыми трудностями или создадут ранее неизвестные проблемы, решить которые на сегодняшнем техническом уровне не удастся, как это уже было и в начале прошлого века и в его середине. В прошлый раз у конструкторов не оказалось ни подходящих материалов, ни информационных мощностей для расчетов, которые есть сегодня.
Неясным пока остается и экономический эффект, не «съест» ли стоимость создания, а главное, обслуживания и ремонта новаторской конструкции все преимущества аэродинамики?
Финская летающая лодка Fly Nano
Первый «Парсифаль» должен подняться в воздух только в 2035 году, а о разработки от Локхид давно нет новостей, но время летит быстро. А пока замкнутое крыло вполне неплохо используется на небольших летательных аппаратах, где вопросы прочности не так критичны из-за небольшого размера.
Источники: https://alex-anpilogov.livejournal.com/, https://interesnye-istorii.in.ua/
Авторы: alex_anpilogov
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
